TWI673508B - 飛行時間測距裝置以及利用飛行時間測距裝置辨識影像的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種飛行時間測距(time-of-flight，TOF)裝置，包含一紅外光發射器以及一紅外光接收器，其中該紅外光發射器沿著一第一方向(X軸)發射一紅外光，一直角三稜鏡，設置於一可動基座上，其中該紅外光通過該直角三稜鏡，以及一第一致動器以及一第二制動器，分別設置於該可動基座旁，其中藉由啟動該第一制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第二方向(Y軸)傾斜，藉由啟動該第二制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第三方向(Z軸)傾斜，且該第二方向與該第三方向皆與該第一方向垂直。
Description
本發明係有關於光學領域，尤其是一種改良式的飛行時間測距裝置，以及利用上述飛行時間測距裝置辨識影像的方法，其中本發明的飛行時間測距裝置具有更高解析度。
飛行時間測距(time-of-flight，TOF)裝置為一種立體感測裝置。其原理在於發射光源(例如紅外光)至目標物，再接收經目標物反射回來的紅外光，藉由計算紅外光發射與接收的時間差，來判定裝置與目標物之間的距離。
其中飛行時間測距裝置的紅外光接收區域包含有許多感光區陣列，每一感光區可以代表一像素(pixel)，也就是說，上述感光區的數量多寡即代表飛行時間測距裝置的解析度高低。感光區的數量愈多，則飛行時間測距裝置的解析度愈高。
然而，由於上述經目標物反射回來的紅外光的光強度將會減弱，因此每一感光區應維持一定面積，方能有效接收反射後的紅外光。如此一來在單
位總面積不變的情況下，感光區的數量將受到限制，也就是說解析度將無法有效提高。以目前技術來說，飛行時間測距裝置的解析度難以超過標準VGA(Video Graphics Array)畫質，也就是640*480。而多數飛行時間測距裝置的解析度為320*240甚或至更低的解析度。
因此，在目前技術中，飛行時間測距裝置的解析度不足，不利於應用在人臉辨識的功能上。舉例來說，請參考第1圖，其繪示一解析度不足的飛行時間測距裝置應用於人臉辨識功能所的示意圖。如第1圖所示，提供一飛行時間測距(TOF)裝置100設置於一閘門102上，當一目標物104接近閘門102時啟動TOF裝置100並進行人臉辨識。然而，若目標物104距離閘門較遠距離(L1，例如為3公尺或更遠距離)就啟動TOF裝置100，所辨識的人臉面積過小而且解析度不足，無法清楚得知人臉的細部特徵，進而影響後續的身分認證。而另一方面，若等目標物104距離閘門較近距離時(例如L2，假設為1公尺或更近距離)才啟動TOF裝置100，雖然可以較清楚判斷局部人臉的細部特徵，但是此時又可能面臨人臉面積超出畫面的問題。
因此，若能提高飛行時間測距裝置的解析度，將可有效解決上述問題。
本發明提供一種飛行時間測距(time-of-flight，TOF)裝置，包含一紅外光發射器以及一紅外光接收器，其中該紅外光發射器沿著一第一方向發射一紅外光，一直角三稜鏡，設置於一可動基座上，其中該紅外光通過該直角三稜鏡，以及一第一致動器以及一第二制動器，分別設置於該可動基座旁，其中藉由啟
動該第一制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第二方向傾斜，藉由啟動該第二制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第三方向傾斜，且該第二方向與該第三方向皆與該第一方向垂直。
本發明另提供一種利用飛行時間測距(time-of-flight，TOF)裝置辨識影像的方法。首先，提供一飛行時間測距裝置，該飛行時間測距裝置包含有一紅外光發射器以及一紅外光接收器，其中該紅外光發射器沿著一第一方向發射一紅外光，一直角三稜鏡，設置於一可動基座上，其中該紅外光通過該直角三稜鏡，以及一第一致動器以及一第二制動器，分別設置於該可動基座旁，其中藉由啟動該第一制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第二方向傾斜，藉由啟動該第二制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第三方向傾斜，且該第二方向與該第三方向皆與該第一方向垂直。接著，當一目標物靠近該飛行時間測距裝置時，啟動該飛行時間測距裝置，辨識該目標物的第一範圍，並取得一第一立體辨識結果圖，然後藉由啟動該第一致動器以及該第二制動器，調整該直角三稜鏡的角度，並且改變該紅外光的照射角度，接下來，在該紅外光的照射角度被改變後，辨識該目標物的第二範圍，並取得一第二立體辨識結果圖。
本發明提供一種改良式的飛行時間測距裝置，利用致動器來控制直角三稜鏡的角度，進而改變紅外光的照射角度，使得飛行時間測距裝置具有掃描的功能。原先飛行時間測距裝置的解析度與可偵測範圍為一固定值，若使用掃描功能，將目標物分成不同區域且分別進行掃描辨識，再將不同區域的辨識結果進行合成，即可得到一完整的掃描圖案。如此一來解析度與偵測範圍都會大幅提升。
100‧‧‧飛行時間測距裝置
102‧‧‧閘門
104‧‧‧目標物
200‧‧‧飛行時間測距裝置
202‧‧‧主要部分
204‧‧‧直角三稜鏡
206‧‧‧可動基座
208A‧‧‧第一致動器
208B‧‧‧第二致動器
W‧‧‧橫向像素數量
H‧‧‧縱向像素數量
S1、S2、S3、S4、S5‧‧‧步驟
第1圖繪示一解析度不足的飛行時間測距裝置應用於人臉辨識功能所的示意圖。
第2圖繪示本發明的飛行時間測距裝置結構示意圖。
第3圖為將本發明改良式的飛行時間測距裝置應用於人臉辨識的示意圖。
第4圖繪示本發明利用飛行時間測距裝置辨識影像的流程圖。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
為了方便說明，本發明之各圖示僅為示意以更容易了解本發明，其詳細的比例可依照設計的需求進行調整。在文中所描述對於圖形中相對元件之上下關係，在本領域之人皆應能理解其係指物件之相對位置而言，因此皆可以翻轉而呈現相同之構件，此皆應同屬本說明書所揭露之範圍，在此容先敘明。
本發明提供一種改良式的飛行時間測距裝置，可以解決上述先前技術段落中所提到的問題。首先，請參考第2圖，其繪示本發明的飛行時間測距裝置結構示意圖。如第2圖所示，本發明的飛行時間測距裝置200至少包含有一主要部分202以及一直角三稜鏡204，直角三稜鏡204設置於一可動基座206上，且第一致動器208A與第二致動器208B分別設置於可動基座206旁(例如分別沿著第2圖中的Y軸以及Z軸設置)。其中，主要部分202包含有一光源發射裝置以及一光源接收裝置，其中光源發射裝置例如為紅外光發射裝置，而光源接收裝置例如為紅
外光接收裝置。紅外光發射裝置用以發射單一道雷射紅外光或同時發射多道雷射紅外光，所發射的紅外光照射一目標物後將會被反射。一般來說，紅外光接收器包含有感光區陣列，用來接收經目標物反射後的紅外光，此外主要部分202還包含有記憶體與處理器，用來記錄紅外光發射與接收的時間差，並且計算出裝置與目標物之間的距離。簡單來說，本發明所述的飛行時間測距裝置200中的主要部分202與一習知的飛行時間測距裝置具有相同的功能，也就是利用發射與接收紅外光，來計算目標物的距離與深度。由於飛行時間測距裝置為目前已知技術，因此在此不多加贅述。
如前所述，為了能有效接收反射後的紅外光，目前飛行時間測距裝置的解析度將會受到限制。關於本發明中的飛行時間測距裝置200的主要部分202，其所擁有的最高解析度為W*H。此處W為飛行時間測距裝置的畫面的橫向像素數量，而H為飛行時間測距裝置的畫面的縱向像素數量。舉例來說，以目前技術來看，本實施例中設定主要部分202所能擁有的最高解析度為320*240，但本發明不限於此。換句話說，在本發明中，改良後的飛行時間測距裝置200是由一個解析度為W*H的主要部分202(此部分等於一習知的完整飛行時間測距裝置)再加上其他部分(例如直角三稜鏡204、可動基座206與致動器)所組成。
其中，直角三稜鏡204將會設置在可動基座206上，另包含兩個致動器，分別定義為第一致動器208A與第二致動器208B，分別設置於可動基座206旁的兩個不同方向。第一致動器208A與第二致動器208B包含音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)、微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)、記型合金(Shape Memory Alloys,SMA)或是其他電控裝置，包含藉由信號控制產生結構變化的裝置。本實施例中藉由啟動第一致動器208A或第二致動器208B來改變可動基
座206的角度，其中可動基座206的可變動角度較佳大於或等於100度，但不限於此。更詳細而言，主要部分202所發射的紅外光將會沿著一第一方向(例如第2圖中的X軸)通過直角三稜鏡204，經過直角三稜鏡204反射後朝向另一方向(例如Z軸)發射，也就是飛行時間測距裝置的鏡頭(圖未示)設置在Z軸方向，如此配置可有效利用空間，有利於整體結構的微型化。第一致動器208A設置在可動基座206旁，當啟動第一致動器208A時，直角三稜鏡204將可沿著一第二方向(例如Y軸)傾斜或旋轉。另一方面，第二致動器208B也設置在可動基座206旁，當啟動第二致動器208B時，直角三稜鏡204將可沿著一第三方向(例如Z軸)傾斜或旋轉。其中第一方向、第二方向還有第三方向都互相垂直。因此，藉由啟動第一致動器208A或第二致動器208B，可以改變可動基座206與直角三稜鏡204的位置或角度，當主要部分202所發射的紅外光沿著X軸方向通過直角三稜鏡204時，紅外光的照射方向將可由直角三稜鏡204所控制。
本發明中，藉由調整第一致動器208A與第二致動器208B，可讓主要部分202所發出的紅外光的照射方向改變，進而達到類似掃描的功效。更詳細而言，原先主要部分202的解析度與可偵測範圍為一固定區域，若使用掃描功能，將目標物分成不同區域且分別依序進行掃描辨識，再將不同區域的辨識結果進行合成，即可得到一完整的掃描圖案。舉例來說，若將目標物分成四個區域(例如左上區域、右上區域、左下區域、右下區域)分別依序進行辨識，再將各自的辨識結果合成為一張最終辨識圖。如此一來偵測範圍將是原先偵測範圍的四倍，而解析度也是原先的四倍(也就是2W*2H，若原先解析度為320*240，以四張圖合成後的辨識圖其解析度應為640*480)。
第3圖為將本發明改良式的飛行時間測距裝置200應用於人臉辨識的
示意圖。如第3圖所示，在一閘門102上設置有飛行時間測距裝置200，當一目標物104接近飛行時間測距裝置200時，啟動飛行時間測距裝置200並進行人臉辨識。與第1圖所示的情況不同的是，本實施例中當目標物104足夠接近飛行時間測距裝置200時(例如距離為L2)，飛行時間測距裝置200將會進行多次的人臉辨識步驟，分別對人臉(目標物)的不同區域依序進行辨識，最終再將各區域的辨識結果進行合成。如第3圖所示，本實施例中將人臉的範圍分別四個不同區域，分別為左上區域、右上區域、左下區域以及右下區域，並且分別進行掃描辨識，每一個區域都各自擁有W*H的解析度。值得注意的是，其中辨識每一個區域的步驟都包含由飛行時間測距裝置200發射一紅外光，照射人臉的部分範圍，然後經人臉反射後的該紅外光被飛行時間測距裝置200的紅外光接收器所接收，以及藉由測量紅外光發射與接收的時間差，計算人臉的距離與深度，並得到一立體辨識結果圖。此外，上述的不同區域彼此之間可以完全不互相重疊，或是彼此之間有部分重疊(例如靠近邊界部分)。以本實施例將人臉範圍分成四個不同區域為例，最終的合成辨識結果具有四倍的解析度，等同於2W*2H，而辨識畫面也可容納完整人臉大小，有利於人臉細部特徵的判定與後續的身分認證步驟。
可理解的是，上述方法中將目標物(例如人臉)分成四個區域，然後分別依序進行人臉辨識步驟。但在本發明的其他實施例中，可以將目標物分成較多或是較少的區域，區域的數量只需要滿足兩個以上皆屬於本發明的涵蓋範圍。因此，本發明提供一種具有更高解析度的飛行時間測距裝置結構，以及提供利用上述結構辨識一目標物的方法。舉例來說，本發明的飛行時間測距裝置200的主要部分202原先擁有的最高解析度通常不會超過640*480，例如為320*240，然而經過掃描不同區域，然後再將各區域的辨識結果合成之後，最終辨識結果圖案的解析度將會大於或等於640*480，例如為1280*960或更高的解析
度。
本發明進行辨識的流程圖可以參考第4圖，其繪示本發明利用飛行時間測距裝置辨識影像的流程圖，首先如步驟S1，目標物(例如人臉)靠近飛行時間測距裝置，接著如步驟S2，啟動飛行時間測距裝置，偵測目標物的一第一範圍，並得到一第一立體辨識結果圖，再來如步驟S3，藉由啟動第一致動器以及第二制動器，調整直角三稜鏡的角度，並且改變紅外光的照射角度。接下來，如步驟S4，在紅外光的照射角度被改變後，啟動飛行時間測距裝置，辨識目標物的第二範圍，並取得一第二立體辨識結果圖，之後如步驟S5，將第一立體辨識結果圖與第二立體辨識結果圖合成為一最終立體辨識結果圖。值得注意的是，在第4圖的流程中將目標物分別兩個不同區域分別進行辨識，因此分別產生第一立體辨識結果圖與第二立體辨識結果圖，但是在本發明的其他實施例中，可以將目標物分成更多區域，而將會產生更多的立體辨識結果圖，也就是說在步驟S4與步驟S5之間可能包含有其他的調整直角三稜鏡步驟以及人臉辨識步驟，最後再將所有的立體辨識結果圖合成。如此一來，最終合成而得到的立體辨識結果圖將會有更高的解析度。此步驟也屬於本發明的涵蓋範圍內。
綜上所述，本發明提供一種改良式的飛行時間測距裝置，利用致動器來控制直角三稜鏡的角度，進而改變紅外光的照射角度，使得飛行時間測距裝置具有掃描的功能。原先飛行時間測距裝置的解析度與可偵測範圍為一固定值，若使用掃描功能，將目標物分成不同區域且分別進行掃描辨識，再將不同區域的辨識結果進行合成，即可得到一完整的掃描圖案。如此一來解析度與偵測範圍都會大幅提升。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
Claims (8)
- 一種利用飛行時間測距(time-of-flight，TOF)裝置辨識影像的方法，包含：提供一飛行時間測距裝置，該飛行時間測距裝置包含有：一紅外光發射器以及一紅外光接收器，其中該紅外光發射器沿著一第一方向發射一紅外光；一直角三稜鏡，設置於一可動基座上，其中該紅外光通過該直角三稜鏡；一第一致動器以及一第二制動器，分別設置於該可動基座旁，其中藉由啟動該第一制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第二方向傾斜，藉由啟動該第二制動器，使得該直角三稜鏡朝著一第三方向傾斜，且該第二方向與該第三方向皆與該第一方向垂直；當一目標物靠近該飛行時間測距裝置時，啟動該飛行時間測距裝置，辨識該目標物的第一範圍，並取得一第一立體辨識結果圖；藉由啟動該第一致動器以及該第二制動器，調整該直角三稜鏡的角度，並且改變該紅外光的照射角度；在該紅外光的照射角度被改變後，辨識該目標物的第二範圍，並取得一第二立體辨識結果圖；以及將該第一立體辨識結果圖以及該第二立體辨識結果圖合成為一最終立體辨識結果圖，其中該第一立體辨識結果圖、該第二立體辨識結果圖包含一部分的人臉資訊，該最終立體辨識結果圖包含一完整的人臉資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該最終立體辨識結果圖的解析度大於或等於640*480。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該飛行時間測距裝置的解析度小於或等於640*480。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中取得該第一立體辨識結果圖的步驟包含：由該紅外光發射器發射一紅外光，照射該目標物的部分範圍；經該目標物反射後的該紅外光被該紅外光接收器所接收；以及藉由測量該紅外光發射與接收的時間差，計算目標物的距離與深度，並得到該第一立體辨識結果圖。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該目標物的第一範圍與該目標物的第二範圍彼此不重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該目標物的第一範圍與該目標物的第二範圍彼此部分重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一致動器與該第二致動器包含音圈馬達(Voice Coil Motor，VCM)、微機電系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)或記型合金(Shape Memory Alloys,SMA)。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該可動基座的可變動角度大於或等於100度。
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2018
- 2018-09-18 TW TW107132714A patent/TWI673508B/zh active
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